Ứng dụng công nghệ ống sóng tích hợp vật liệu nền SIW để thiết kế, chế tạo bộ lọc thông dải cho đài ra đa băng S

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ỐNG SÓNG TÍCH HỢP<br /> VẬT LIỆU NỀN SIW ĐỂ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO<br /> BỘ LỌC THÔNG DẢI CHO ĐÀI RA ĐA BĂNG S<br /> Võ Văn Phúc1*, Dương Tuấn Việt1, Nguyễn Văn Hạnh1<br /> Trần Thị Trâm1, Đinh Văn Trường1, Lê Thị Trang2, Cao Văn Vũ1<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp thiết kế và chế tạo bộ lọc thông dải<br /> kiểu ống sóng tích hợp chất nền nửa chế độ (HMSIW) ứng dụng trong đài ra đa<br /> băng S. Bộ lọc thông dải được mô phỏng bằng phần mềm HFSS và được gia công<br /> chế tạo với dạng mạch in tiêu chuẩn 1 lớp. Các kết quả đo được thực tế phù hợp với<br /> kết quả mô phỏng. Bộ lọc có các tham số thỏa mãn các tham số đặt ra ban đầu.<br /> Từ khóa: Bộ lọc thông dải (BPF); Ống sóng tích hợp vật liệu nền (SIW); Ống sóng tích hợp chất nền nửa chế<br /> độ (HMSIW); Mạch in (PCB).<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trong hệ thống thu phát của các thiết bị vô tuyến điện tử nói chung và ra đa nói riêng<br /> các bộ lọc đóng vai trò hết sức quan trọng trong đường truyền tín hiệu từ anten cho tới hệ<br /> thống xử lý tín hiệu. Hiện nay, các hệ thống ra đa thế hệ mới, hệ thống truyền thông số dải<br /> sóng cm, mm và các hệ thống siêu cao tần hiện đại đã được phát triển một cách nhanh<br /> chóng, chúng đòi hỏi các công nghệ mới có hiệu quả về chi phí, có khả năng tích hợp cao<br /> và cải thiện hiệu suất. Một trong những thành phần chính của các hệ thống đó là bộ lọc,<br /> tuy nhiên hầu như chúng đều khó tích hợp với các mạch phẳng khác hoặc chúng có cấu<br /> trúc phức tạp và được nhập ngoại dưới dạng mô đun hoặc tích hợp vào các hệ thống thu<br /> phát. Vì vậy, để tiếp cận được với công nghệ mới mà vẫn đảm bảo được đầy đủ các tính<br /> năng của nó thì cần phải đầu tư nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ lọc siêu cao tần hiệu<br /> suất cao ứng dụng trong thực tế hiện nay.<br /> Trong thời gian qua, bộ lọc ứng dụng công nghệ tích hợp chất nền (SIW) trong đó có<br /> dạng bộ lọc kiểu ống sóng tích hợp chất nền nửa chế độ (HMSIW) đã thu hút rất nhiều sự<br /> chú ý nghiên cứu của các nhà khoa học do kế thừa lợi thế của ống dẫn hình chữ nhật như<br /> hệ số Q cao, tổn hao thấp, và khả năng chịu đựng công suất cao trong khi lại có những ưu<br /> điểm riêng như: độ rộng dải thông rộng, kích thước nhỏ gọn, tổn hao thấp, chi phí hợp lý,<br /> sử dụng công nghệ mạch in PCB thông thường để chế tạo [1..5].<br /> Trong bài báo này, chúng tôi trình bày phương pháp thiết kế và chế tạo bộ lọc thông dải<br /> kiểu ống sóng tích hợp chất nền nửa chế độ (HMSIW) ứng dụng trong đài ra đa băng S.<br /> Bộ lọc có khả năng điều chỉnh linh hoạt về dải tần hoạt động. Bộ lọc được mô phỏng bằng<br /> phần mềm HFSS và được gia công chế tạo với dạng mạch in tiêu chuẩn 1 lớp.<br /> 2. TỔNG QUAN VỀ SIW VÀ HMSIW<br /> Công nghệ ống sóng tích hợp vật liệu nền (SIW) đã và đang phát triển mạnh vì những<br /> ứng dụng của nó trong thực tế. Các ứng dụng của nó có thể kể đến đó là các ứng dụng trong<br /> các lĩnh vực như truyền thông, ra đa, cảm biến hình ảnh và các thiết bị y sinh [6], [7].<br /> SIW có nhiều dạng hình học khác nhau, có thể là dạng chữ nhật hoặc hình tròn. SIW<br /> dạng chữ nhật là cấu trúc phẳng được tạo ra bằng cách sử dụng hai hàng lỗ mã kim loại có<br /> chu kỳ để nối mặt phẳng kim loại ở trên và dưới của lớp điện môi như biểu thị trong Hình 1<br /> dưới đây.<br /> Các tham số được hiển thị ở trên đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế SIW: s là<br /> khoảng cách giữa các lỗ, d là đường kính của lỗ, h là chiều dày của chất nền, εr là hằng số<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 113<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> điện môi của chất nền, W là khoảng cách từ tâm đến tâm giữa hai hàng lỗ và Weff , Leff là<br /> chiều rộng và chiều dài của ống dẫn sóng kim loại lấp đầy điện môi [12].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ cấu trúc SIW chữ nhật<br /> Nếu gọi Wcon là chiều rộng của ống dẫn sóng (ODS) kim loại thông thường và εcon = 1<br /> thì công thức tính chiều rộng của ODS lấp đầy điện môi tương đương là [13]:<br /> Wcon<br /> Weff = (1)<br /> r<br /> Đối với chế độ TE101, kích thước của SIW chữ nhật có thể xác định được bằng tần số<br /> cộng hưởng tương ứng [14]:<br /> <br /> c 1 2 1 2<br /> f (TE101 )  ( ) ( ) (2)<br /> 2  r Weff Leff<br /> Đường kính d và khoảng cách s của lỗ phải được chọn sao cho không có sự rò rỉ bức xạ<br /> [15]. Do đó, khoảng cách giữa các lỗ phải lớn hơn đường kính của lỗ, vì vậy, cấu trúc có<br /> thể thực hiện được khi:<br /> s>d (3)<br /> và s ≤ 2d (4)<br /> Do SIW là cấu trúc dẫn sóng định kỳ, nên hiện tượng dải chắn điện từ có thể xuất hiện<br /> vì vậy cần tránh điều này trong dải thông ống dẫn sóng cần quan tâm. Vì vậy cần sử dụng<br /> điều kiện sau đây để tránh các hiệu ứng dải chắn trong băng thông hoạt động:<br /> 1<br /> s< λc (5)<br /> 4<br /> Một điều kiện không cần thiết nhưng cũng là mong muốn đối với quá trình gia công là<br /> giảm thiểu số lượng lỗ vì thời gian sản xuất tỉ lệ với số lượng của chúng:<br /> 1<br /> s> λc (6)<br /> 20<br /> Khoảng cách từ tâm đến tâm giữa các lỗ của cả hai hàng W có thể được tính bằng cách<br /> sử dụng một trong những quan hệ phổ biến nhất và được biểu thị trong biểu thức sau [11]:<br /> d2<br /> Weff  W  (7)<br /> 0.95s<br /> Quan hệ này được chuẩn hóa lại như sau:<br /> d2 d2<br /> Weff  W  1.08  0.1 (8)<br /> s W<br /> <br /> 114 V. V. Phúc, …, C. V. Vũ, “Ứng dụng công nghệ ống sóng … cho đài ra đa băng S.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Các công thức từ (1) đến (8) sẽ là cơ sở cho các thiết kế các phần tử siêu cao tần sử<br /> dụng cấu trúc SIW chữ nhật.<br /> Ống sóng tích hợp chất nền nửa chế độ HMSIW là một cấu trúc mới mà cấu trúc sóng<br /> được lan truyền theo dạng mặt phẳng, nó vẫn giữ được các ưu điểm của SIW nhưng kích<br /> thước giảm đi bằng một nửa, như được biểu diễn trên hình 2.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Mô tả hình dạng và chế độ sóng của SIW và HMSIW.<br /> Ta thấy trên hình 2, HMSIW được thực hiện bằng cách tạo một hàng lỗ mạ kim loại<br /> trên bề mặt chất nền tổn hao thấp với lớp phủ kim loại trên toàn bộ kích thước bằng một<br /> nửa của cấu trúc SIW và chế độ hoạt động chỉ là một nửa chế độ TE10 [8], [9]. Đặc tính<br /> truyền sóng tương tự như SIW nhưng có kích thước đóng gói nhỏ gọn hơn.<br /> 3. THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI BĂNG S DẠNG ỐNG SÓNG TÍCH HỢP<br /> VẬT LIỆU NỀN NỬA CHẾ ĐỘ - HMSIW<br /> Cấu trúc bộ lọc thông dải HMSIW ở băng S được thiết kế dựa trên mô hình thể hiện<br /> trên hình 3. Bộ lọc HMSIW bao gồm 4 mắt lọc. Việc ghép giữa các phần cộng hưởng<br /> HMSIW bên trong và ghép ngoài giữa phần cộng hưởng HMSIW với đầu vào và đầu ra<br /> được kiểm soát bởi các khe ngang, bộ lọc thông dải (BPF) được thiết kế và mô phỏng trên<br /> phần mềm HFSS và được chế tạo bằng công nghệ mạch PCB. Đường mạch dải kết nối<br /> trực tiếp với bộ lọc HMSIW ở các vị trí khác nhau thể hiện rõ ưu điểm của việc thiết kế<br /> nhỏ gọn. Cuối cùng, kết quả mô phỏng và kết quả đo kiểm sẽ cho thấy những đặc tính của<br /> bộ lọc thiết kế.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Cấu trúc của bộ lọc thông dải HMSIW.<br /> a. Các bộ cộng hưởng HMSIW và ghép ngoài<br /> Hình 4 đưa ra mô hình 1 bộ cộng hưởng, mỗi bộ cộng hưởng được tạo thành bởi một<br /> phần của HMSIW, và có thể xem như là một bộ cộng hưởng chế độ truyền dẫn nửa TE10.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 115<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Tần số cộng hưởng của bộ cộng hưởng thu được chính xác bằng cách sử dụng phần mềm<br /> mô phỏng HFSS.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Bộ cộng hưởng HMSIW.<br /> Các mối ghép bên ngoài sẽ tác động đến tổn hao và độ nhấp nhô của bộ lọc thông dải<br /> nhiều cực. Các mối ghép bên ngoài này có thể xem xét bằng cách mô phỏng một bộ cộng<br /> hưởng đơn HMSIW với một đường mạch dải. Sơ đồ ghép nối sẽ đưa ra các mong muốn<br /> cho đầu vào và đầu ra có thể đạt được bằng cách thực hiện các phân tích trên một bộ cộng<br /> hưởng đơn [10].<br /> b. Ghép nối tiếp cộng hưởng<br /> Độ ghép giữa các bộ cộng hưởng được điều khiển chủ yếu dựa trên chiều dài và chiều<br /> rộng của các bộ cộng hưởng thành phần. Khi các bộ cộng hưởng kết hợp với nhau, bằng<br /> việc thay đổi các tham số của các bộ cộng hưởng thành phần sử dụng phần mềm mô phỏng<br /> HFSS chúng ta sẽ tìm được tần số trung tâm và tham số tán xạ của bộ lọc.<br /> c. Thiết kế bộ lọc<br /> Việc xây dựng các tham số bộ lọc thông dải băng S dựa vào tham chiếu các tham số<br /> của bộ lọc thông dải nằm ở modul thu – phát của đài ra đa LM2288.<br /> Trong hệ thống thu phát (TRG RF) của đài Ra đa ELM-2288ER có rất nhiều bộ lọc<br /> khác nhau, các bộ lọc này đảm bảo chức năng tách hoặc loại bỏ các tần số ở dải tần mong<br /> muốn trên một dải, chúng có vai trò hết sức quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng thu<br /> - phát tín hiệu nhằm đáp ứng các chức năng chiến - kỹ thuật của toàn bộ hệ thống.<br /> Như trình bày trên hình 5, bộ lọc thông dải BPF cao tần nằm ở modul thu – phát cao<br /> tần TR CARD của đài Ra đa ELM-2288ER, nó đảm bảo chức năng lọc các tần số thu<br /> trong dải tần 2900MHz đến 3400MHz.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Sơ đồ khối modul thu – phát cao tần của đài Ra đa ELM-2288ER.<br /> Bài toán thiết kế bộ lọc băng tần S dựa trên cấu trúc HMSIW được thực hiện với các<br /> tham số kỹ thuật theo bảng 1.<br /> Bảng 1. Yêu cầu kỹ thuật đối với bộ lọc băng S dựa trên cấu trúc HMSIW.<br /> TT Tham số kỹ thuật Ký hiệu Đơn vị Tham chiếu Yêu cầu<br /> 1 Tần số trung tâm f0 MHz 3150 3150<br /> <br /> <br /> 116 V. V. Phúc, …, C. V. Vũ, “Ứng dụng công nghệ ống sóng … cho đài ra đa băng S.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2 Dải thông (@ -3dB) ∆f MHz 500±25 500±25<br /> 3 Suy hao trong dải L dB 2 2<br /> 4 Độ chắn ngoài dải Kca dB  30  30<br /> @ f0±1,5∆f<br /> 5 Độ nhấp nhô bộ lọc R dB  0,5  0,5<br /> 6 Trở kháng vào - ra Z  50 50<br /> 7 Hệ số sóng đứng VSWR  1,5  1,5<br /> Thiết kế bộ lọc ghép cộng hưởng có thể được chia ra làm 2 phần, thiết kế chức năng dải<br /> thông bằng việc thiết kế các bộ cộng hưởng, và thiết kế các chức năng chất lượng cao<br /> được đưa ra và hỗ trợ bởi HMSIW. Việc xác định tần số cắt, tần số cộng hưởng và tối ưu<br /> hóa các tham số của của bộ cộng hưởng được tính toán và hỗ trợ bằng phần mềm HFSS.<br /> Cuối cùng, kích thước của bộ lọc được xác định sau khi tối ưu thiết kế các tham số. Các<br /> tham số kích thước của bộ lọc cần thiết kế được thể hiện trong bảng 2.<br /> Trên hình 6 thể hiện kết quả mô phỏng tham số tổn hao đi qua (S21) và tổn hao phản<br /> hồi S11 của bộ lọc thiết kế. Các tham số bộ lọc mô phỏng được tổng hợp trong bảng 3.<br /> Bảng 2. Các tham số kích thước của bộ lọc HMSIW.<br /> Ký hiệu Giá trị kích thước (mm) Ký hiệu Giá trị kích thước (mm)<br /> w 1,5 W4 0,2<br /> tw 4 d1 12<br /> tl 3 d2 9,9<br /> a 17,69 d3 12<br /> d 0,5 l1 12,2<br /> s 1,3 l2 13,63<br /> W1 0,22 l3 12,9<br /> W2 0,63 l4 10,8<br /> W3 0,55<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Kết quả mô phỏng các tham số bộ lọc.<br /> <br /> 4. CHẾ TẠO VÀ KẾT QUẢ ĐO KIỂM THỰC TẾ<br /> <br /> Bộ lọc thông dải băng tần S được thiết kế, chế tạo với vật liệu nền Roger 5880 có độ<br /> dày h = 0,5 mm, hằng số điện môi 2,2, tổn hao 0,001 bằng công nghệ mạch in PCB một<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 117<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> lớp. Các hình 7,8,9 thể hiện hình ảnh thực tế bộ lọc thiết kế chế tạo và kết quả đo tương<br /> ứng. Các tham số bộ lọc được đo bằng máy phân tích mạng N9918A. Bộ lọc 4 mắt lọc<br /> được thiết kế, chế tạo ở tần số trung tâm 3,15 GHz và dải thông 500 MHz, tổn hao truyền<br /> qua đo được nhỏ hơn 0,9dB và tổn hao phản hồi nhỏ hơn -15 dB. Trên hình 10 cho thấy sự<br /> tương đồng giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Hình ảnh thực tế của bộ lọc thiết kế, chế tạo.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Kết quả đo tham số tổn hao đi qua Hình 9. Kết quả đo tham số tổn hao phản<br /> (S21) của bộ lọc. hồi ( S11) của bộ lọc.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 10. So sánh kết quả các tham số bộ lọc thiết kế mô phỏng và đo thực tế.<br /> Bảng 3 tổng hợp kết quả mô phỏng và kết quả đo các tham số của bộ lọc băng S thiết<br /> kế, chế tạo mới. Các tham số đo được đáp ứng yêu cầu đặt ra ban đầu khi thiết kế của đề<br /> tài nghiên cứu.<br /> <br /> <br /> 118 V. V. Phúc, …, C. V. Vũ, “Ứng dụng công nghệ ống sóng … cho đài ra đa băng S.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Bảng 3. Tổng hợp các tham số mô phỏng và đo thực tế của bộ lọc băng S<br /> dựa trên cấu trúc HMSIW.<br /> Ký Yêu Kết quả KQ đo<br /> TT Tham số kỹ thuật Đơn vị<br /> hiệu cầu mô phỏng thực tế<br /> 1 Tần số trung tâm f0 MHz 3150 3150 3150<br /> 2 Dải thông (@ -3dB) ∆f MHz 500±25 492 480<br /> 3 Suy hao trong dải L dB 2  0,5 0,9<br /> 4 Độ chắn ngoài dải Kca dB  30  30,7 >33,4<br /> @ f0±1,5∆f<br /> 5 Độ nhấp nhô bộ lọc R dB  0,5  0,5